Jihokorejští vědci vyvinuli katalyzátor pro účinnější elektrochemickou výrobu amoniaku

Tým vědců ze Soulské národní univerzity vyvinul nový design katalyzátoru, který by mohl vyřešit jeden z dlouhodobých problémů elektrochemické výroby amoniaku. Výzkum vedl profesor Yousung Jung z Oddělení chemického a biologického inženýrství na tamní inženýrské fakultě (Seoul National University College of Engineering).

Elektrochemická syntéza amoniaku se dlouhodobě považuje za slibnou alternativu k energeticky náročnému Haberovu-Boschovu procesu, který se dnes celosvětově používá k výrobě hnojiv i jako potenciální nosič vodíkové energie. Praktické nasazení této technologie však dosud brzdí zásadní technický problém: na katalyzátorech, které mají podporovat vznik amoniaku, současně probíhá i nežádoucí reakce evoluce vodíku. Tato konkurenční reakce spotřebovává elektrony a protony, které by jinak mohly být využity pro tvorbu amoniaku, čímž výrazně snižuje účinnost celého procesu.

Nově navržený katalyzátor byl vyvinut tak, aby tuto nežádoucí reakci evoluce vodíku aktivně potlačoval, zatímco zároveň udržuje v chodu žádoucí reakci redukce dusíku, při níž amoniak skutečně vzniká. Tým se podle dostupných informací zaměřil na strukturní úpravu materiálu tak, aby selektivně bránil podmínkám vhodným pro vznik vodíku, aniž by přitom narušil dráhu potřebnou pro navázání a redukci molekul dusíku.

Interference obou reakcí, tedy vzniku vodíku a redukce dusíku, na povrchu katalyzátoru byla podle výzkumníků dosud jednou z hlavních překážek, které bránily zvýšení výtěžnosti a energetické účinnosti elektrochemické syntézy amoniaku. Pokud se podaří tuto konkurenci na molekulární úrovni eliminovat, otevírá se cesta k efektivnějšímu a méně energeticky náročnému způsobu výroby amoniaku, než jaký nabízí tradiční průmyslové postupy.

Výsledky výzkumu naznačují, že cílený design katalytických materiálů může selektivně řídit, která z konkurenčních elektrochemických reakcí na jejich povrchu převládne. To má význam nejen pro výrobu amoniaku samotného, ale potenciálně i pro širší oblast elektrokatalýzy, kde se podobné konkurenční reakce objevují i u jiných procesů.

Amoniak přitom není důležitý jen jako surovina pro hnojiva, na nichž závisí značná část světové zemědělské produkce. V posledních letech se o něm čím dál častěji mluví také jako o možném nosiči vodíkové energie, protože jeho skladování a přeprava jsou z technického hlediska jednodušší než u čistého vodíku. Zefektivnění jeho výroby by tak mohlo mít dopad i na širší diskusi o alternativních zdrojích energie a snižování emisí spojených s průmyslovou výrobou.

Tým profesora Junga se dlouhodobě věnuje výzkumu v oblasti katalýzy a materiálového inženýrství na Seoul National University, která patří mezi přední jihokorejské akademické instituce v oblasti technických a přírodních věd. Nový design katalyzátoru je výsledkem práce oddělení chemického a biologického inženýrství, které se zaměřuje na vývoj materiálů a procesů s potenciálním praktickým využitím v průmyslu.

Zástupci týmu podle dostupných informací zdůrazňují, že klíčovým přínosem jejich přístupu je právě schopnost selektivně zasáhnout do konkurenčních reakčních drah přímo na úrovni povrchu katalyzátoru. Tento princip by mohl v budoucnu posloužit jako obecnější strategie při návrhu katalyzátorů i pro jiné elektrochemické procesy, u nichž nežádoucí vedlejší reakce omezují celkovou účinnost.

Elektrochemická výroba amoniaku za pokojové teploty a atmosférického tlaku by v případě širšího komerčního nasazení mohla snížit energetickou náročnost i uhlíkovou stopu spojenou s tradiční průmyslovou výrobou tohoto chemického sloučeniny. Haberův-Boschův proces totiž vyžaduje vysoké teploty a tlaky a je zodpovědný za značnou část celosvětové spotřeby energie v chemickém průmyslu.

Konkrétní technické detaily složení katalyzátoru, dosažená míra účinnosti či plány na další fáze výzkumu nebyly v dostupných materiálech blíže specifikovány. Výzkum nicméně zapadá do širšího trendu, kdy vědecké týmy po celém světě hledají cesty, jak nahradit energeticky náročné průmyslové procesy udržitelnějšími alternativami založenými na elektrochemii a obnovitelných zdrojích energie.